(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有した光コネクタ用ジルコニア焼結体において、内部は正方晶相を主体とし、表面部分は、結晶のａ軸とｃ軸の格子定数ａ，ｃから数１により求めた正方晶性の値が１．００１〜１．０１０である結晶相を主体とする二層構造としたことを特徴とする光コネクタ用ジルコニア焼結体。
【数１】
0004535539.tif 000004
【請求項２】
ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有した光コネクタ用ジルコニア焼結体において、２３７０℃以上の温度に２０００〜６０００℃／秒の早さで急速加熱した後、５００〜１５００℃／秒で急速冷却し、内部は固層反応により生成した正方晶相を主体とし、表面部分は無拡散的に生成した正方晶相を主体とする二層構造としたことを特徴とする光コネクタ用ジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項３】
ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有する原料を所定形状に成形し、１１００〜１６００℃で焼成した後、立方晶単一相の高温領域である２３７０℃以上の温度に２０００〜６０００℃／秒の早さで急速加熱した後、５００〜１５００℃／秒で急速冷却することを特徴とする光コネクタ用ジルコニア焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、フェルールやスリーブなどの光コネクタ用部材に好適なジルコニア焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信における情報量の増大に伴い、光ファイバを用いた光通信が使用されている。この光通信において、光ファイバ同士の接続、あるいは光ファイバと各種光素子との接続には光コネクタが用いられている。
【０００３】
例えば、光ファイバ同士を接続するコネクタの場合、フェルールに形成された貫通孔に光ファイバの端部を保持し、一対のフェルールをスリーブの両端から挿入して、内部で凸球面状に加工した端面同士を当接させるようにした構造となっている。
【０００４】
上記フェルールやスリーブの材質としてはセラミックス、金属、プラスチック、ガラス等、さまざまなものが試作されてきたが、現在は大半がセラミックス製となっている。その理由は、セラミックスは加工精度が高いため、内径、外径の公差を１μｍ以下と高精度にすることができ、またセラミックスは摩擦係数が低いため光ファイバの挿入性に優れ、剛性が高く熱膨張係数が低いことから外部応力や温度変化に対して安定であり、耐食性にも優れているためである。
【０００５】
さらに、セラミックスとしては、近年、アルミナからジルコニアに大半が置き代わりつつある。このジルコニア焼結体は、ヤング率がアルミナの約半分と低いため、２個のフェルールの先端面同士を当接する際に、小さな応力で密着性を高めることができ、また強度、靱性が高いことから信頼性を向上することができる（特公平８−３０７７５号公報参照）。
【０００６】
上記光コネクタ用ジルコニア焼結体として、ＺｒＯ2を主成分として安定化剤として２．５〜３．５モル％程度（約４．５〜６．２重量％）のＹ2Ｏ3を含有する原料を成形し、焼成して平均結晶粒径０．４〜０．６μｍとした正方晶の結晶相を主体とした部分安定化ジルコニア焼結体が提案されている（特開平６−３３７３２７号公報参照）。
【０００７】
又、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有する原料にＡｌ2Ｏ3を０．２〜０．３重量％添加した原料を成形し、焼成した正方晶の結晶相を主体とした光コネクタ用の部分安定化ジルコニアが提案されている（特開平１０−２６０３３６号公報参照）。
【０００８】
更に、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有する光コネクタ用ジルコニア焼結体において、正方晶相中のＹ2Ｏ3濃度を３．０モル％以上に保持した部分安定化ジルコニアが提案されている（Journal of the Ceramic Society of Japan誌、1999年9月号参照)。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のいずれの従来例においても、Ｙ2Ｏ3を含む部分安定化ジルコニア焼結体は、水分の存在する高温雰囲気中に曝されると、正方晶の結晶が単斜晶に相変態して強度、靱性等の特性が劣化するという問題があった。
【００１０】
また、上記の光コネクタは、使用用途によっては、悪環境中で長時間使用されることがあるため、加速試験として、一対のフェルールをスリーブの両端から挿入して、内部で凸球面状に加工した端面同士を当接させた状態での光コネクタを８５℃の熱水中に曝す試験が行われることがある。この際に、ジルコニア焼結体からなるフェルール等の光コネクタ用部材は、上述した相変態により接続した面が変形し、フェルール端面の凸球面の曲率半径が大きくなってしまうという現象が生じやすく、その結果、接続不良や過大な接続損失を生じるという問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有した光コネクタ用ジルコニア焼結体において、内部は正方晶相を主体とし、表面部分は正方晶性が１．００１〜１．０１０の結晶相を主体とした二層構造としたことを特徴とする。
【００１２】
なお、正方晶性が１．００１〜１．０１０の結晶相とは、正方晶相の範疇に属するものであるが、一般的な正方晶相に比べて正方晶性が小さいものであり、以下、便宜的に正方晶性の小さい正方晶相という。
【００１３】
又、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有した光コネクタ用ジルコニア焼結体において、２３７０℃以上の温度に２０００〜６０００℃／秒の早さで急速加熱した後、５００〜１５００℃／秒で急速冷却し、内部は固層反応により生成した正方晶相を主体とし、表面部分は無拡散的に生成した正方晶相を主体とする二層構造としたことを特徴とする。
【００１４】
更に、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有する原料を所定形状に成形し、１１００〜１６００℃で焼成した後、立方晶単一相の高温領域である２３７０℃以上の温度に２０００〜６０００℃／秒の早さで急速加熱した後、５００〜１５００℃／秒で急速冷却することを特徴とする。
【００１５】
即ち、本発明者が種々実験を行った結果、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有したジルコニア焼結体において、内部は固相反応により生成した一般的に知られている正方晶相を主体とし、表面部分は無拡散的に生成した正方晶性が小さい正方晶相を主体とした二層構造に形成することによって、高靱性、高強度でしかも水分の存在する高温中での劣化を防止できる。
【００１６】
この理由は、内部は一般的な応力誘起変態の生じやすい一般的に知られている正方晶相を形成しているために高靱性、高強度を保ちながら、表面部は応力誘起変態のしにくい正方晶性の小さい正方晶相を形成することにより、水分の存在する高温中での劣化を防止することが出来るからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、光コネクタ用のフェルール１は、中央に光ファイバを挿入する貫通孔１ａを有し、該貫通孔１ａの後端側には光ファイバの挿入を容易にするために円錐部１ｂを備え、先端外周にはスリーブ挿入時にガイド面となる球面部１ｃを備えている。
【００１９】
また、図１（ｂ）に示すように、スリーブ２は筒状体であり、その軸方向にスリット２ａを有することにより、フェルール１を弾性的に保持するものであるが、スリット２ａはなくても良い。さらに、内周面に３箇所程度の凸部を形成し、この凸部でフェルール１を支持することもできる。
【００２０】
上記フェルール１は、詳細を後述するジルコニア焼結体で形成され、図２に示すように、その後方を金属製の支持体３に接合し、上記貫通孔１ａに光ファイバ４を挿入して接合した後、先端面１ｄを曲率半径１０〜２５ｍｍ程度の凸球面状に研摩する。このような一対のフェルール１をスリーブ２の両端から挿入し、バネ等で押圧して先端面１ｄ同士を当接させることによって、光ファイバ４同士の接続を行うことができる。
【００２１】
上記フェルール１やスリーブ２を成すジルコニア焼結体は、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を３〜５モル％含有し、平均粒径０．５μｍ以下、相対密度９５％以上であるジルコニア焼結体において、内部は固相反応により生成した正方晶相を主体とし、表面部分は無拡散的に生成した正方晶性の小さい正方晶相を主体とした二層構造に形成しており、このようにすることによって、高靱性、高強度でしかも水分の存在する高温中での劣化を防止できる。
【００２２】
一般にジルコニア焼結体は、原料を成形し、焼成する事で、固相反応により生成した正方晶相を主体とすることによって、応力を受けた際に、この正方晶結晶が単斜晶結晶に変態して体積膨張し、クラックの進展を防止するという応力誘起変態のメカニズムによって、焼結体の強度、靱性を向上できる。
【００２３】
本発明での表面部分に生成した正方晶性の小さい正方晶は、上記固相反応により生成した正方晶を主体とする焼結体を、高温立方晶単一相の領域である約２３７０℃以上に加熱し、高温相である立方晶から、急速冷却することにより無拡散的に生成できる。この正方晶性の小さい正方晶は、通常の正方晶とは違い、応力誘起変態が生じにくく、その為に水分の存在する高温中での劣化を防止できる。
【００２４】
また、本発明のジルコニア焼結体は、表面部は大部分が正方晶性の小さい正方晶相であるのに対し、内部は正方晶相の他に相変態に対して安定な立方晶を５〜４０体積％含んでいる。
【００２５】
正方晶性の小さい正方晶相が存在する表面部は外表面から０．０５〜０．２ｍｍの範囲であることが好ましい。これは０．０５ｍｍ未満であると表面部に生じた微細なクラックを通じて水分が高温劣化に弱い領域まで到達してしまい、内部から相変態が生じることと、０．２ｍｍを越えると応力誘起変態の起こらない領域が多すぎて、表面のクラックが多くなり、全体の強度が低下してしまうことによる。
【００２６】
ここで、固相反応により生成された正方晶とは一般的な焼結で得られる正方晶であり、無拡散的に生成された正方晶性の小さい正方晶とは高温相である立方晶から急速冷却により拡散しないままに相変態することによって生じた正方晶をいう。
【００２７】
この様に、内部は一般的な正方晶相を形成しているために高靱性、高強度を保ちながら、表面部は応力誘起変態のしにくい正方晶相を形成することにより、水分の存在する高温中での劣化を防止することが出来る。
【００２８】
次に、一般的な正方晶と正方晶性の小さい正方晶との区別の方法について説明する。試料を粉末Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折図形を描かせる。図３の（ａ）に表面部の正方晶性の小さい正方晶が主体のＸ線解析図形、（ｂ）に内部の一般的な正方晶が主体で立方晶を僅かに含んでいるＸ線解析図形を示す。図３（ａ）は試料のピークが非常にシャープのもので、これは急速冷却によって組成の分布が抑制されたためである。又、図３（ｂ）は（ａ）に比べピークの強度及び２θの位置にずれがあり、中央部に他のピークがある。これは（ａ）とは違う正方晶で有ることと立方晶が含まれていることを意味する。
【００２９】
このプロファイルを更に分析することによって、典型的な測定値として、一般的な正方晶はａ軸＝0.3603nm、ｃ軸＝0.5175nmの格子定数が得られ、又、正方晶性が小さい正方晶はａ軸＝0.3621nm、ｃ軸＝0.5156nmの格子定数が得られることから区別をすることが出来る。
【００３０】
正方晶性とは、ｃ軸とａ軸との格子定数ｃ，ａの比で表し、値が小さいほど立方晶に近いことを意味し、数２で示される。
【００３１】
【数２】
0004535539.tif 000002
【００３２】
ここで、正方晶性の小さい正方晶の正方晶性は上記典型例の値を用いると１．００６８となるが材料のバラツキ等を考慮して１．００１〜１．０１０の範囲となり、又一般的な正方晶の正方晶性は同様に上記典型例の値を用いると１．０１５５となるが材料のバラツキ等を考慮して１．０１１〜１．０２０の範囲となる。
【００３３】
このように材料のバラツキにより多少の変動はあるが、正方晶性の小さい正方晶と一般的な正方晶とは明らかに違いを判別することができる。
【００３４】
次に、上記フェルール１及びスリーブ２の製造方法について説明する。
【００３５】
まず、出発原料のＺｒＯ2には不純物としてＡｌ2Ｏ3やＳｉＯ2、ＴｉＯ2、あるいはＣａＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｆｅ2Ｏ3等が含まれているが、この原料を酸やアルカリ等の薬品で処理したり、あるいは比重差を利用した重力選鉱等の手法にて精製する。そして、上記ＺｒＯ2原料にＹ2Ｏ3を３〜５モル％添加混合し、中和共沈または加水分解等の方法により反応・固溶させる。
【００３６】
次に、得られた原料を押出成形やプレス成形や射出成形等により所定形状に成形し、必要があれば切削等を行った後、１１００〜１６００℃の温度で大気雰囲気中で焼成する。この時点では、焼結体全体が固相反応で生成された一般的な正方晶相が主体となった焼結体である。
【００３７】
更に、熱処理工程として、アークイメージ炉を用いて焼結体の表面を高温立方晶単一相の領域である約２３７０℃以上の温度に２０００〜６０００℃／秒の早さで急速加熱し、水中に投入するか、もしくは銅等の熱伝導性の高い金属を押しあてることで５００〜１５００℃／秒で急速冷却を行う。そのため高温相である立方晶から、急速冷却することにより無拡散的に正方晶性の小さい正方晶を表面部分に生成できる。水中に投入した冷却であるために、表面から冷却され内部に冷却効果が行き渡るまでに時間がかかりその為に内部は徐冷となる。その為にフェルール１や割スリーブ２においては、正方晶性の小さい正方晶相は表面から０．１５〜０．３ｍｍの厚さとなる。
【００３８】
フェルール１やスリーブ２はこれを更に研磨、研削を行うことによって得ることができる。研削、研磨の削り代は０．１ｍｍ以下なので、正方晶性の小さい正方晶相はおよそ０．０５〜０．２ｍｍ残り、このために水分の存在する高温中において劣化が生じない。
【００３９】
この様に、内部は一般的な正方晶相を形成しているために高靱性、高強度を保ちながら、表面部は応力誘起変態のしにくい正方晶の小さい正方晶相を形成することにより、水分の存在する高温中での劣化を防止することが出来る光コネクタ用ジルコニア焼結体を得ることが出来る。
【００４０】
なお、図２では光ファイバ４同士を接続するための光コネクタを示したが、上記フェルール１やスリーブ２は、レーザダイオードやフォトダイオード等の光素子と光ファイバを接続する光モジュールに用いることもできる。
【００４１】
また、本発明における光コネクタ用ジルコニア焼結体は、上述した光ファイバ同士、又は光ファイバと各種光素子との接続に用いるさまざまな部材に適用することができ、上述したフェルール１やスリーブ２に限らない。例えば、光ファイバ同士を完全に接続するために用いるスプライサや、光モジュールに用いるダミーフェルール等にも適用することができる。
【００４２】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
【００４３】
出発原料として、従来例に示したＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有する光コネクタ用ジルコニア焼結体において、正方晶相中のＹ2Ｏ3濃度を３．０モル％以上に保持した部分安定化ジルコニア原料を用意した。
【００４４】
最終製品の寸法が外径２．５ｍｍ、長さ１０．５ｍｍとなるように、図１に示すフェルールの形状に押出成形し、この成形体を１５００℃で焼成した焼結体を４０個作成し、内２０個は従来例のサンプルとし、残り２０個を更にアークイメージ炉を用いて焼結体の表面を約２５００℃に急速加熱し、水中に投入することで急速冷却を行い本発明のサンプルを製作した。
【００４５】
それぞれのについてフェルール１を作製し、光ファイバ４を接着し、先端面１ｄを凸球面の曲率半径が平均１５ｍｍ程度となるように研磨した後、図２に示すように一対のフェルール１をスリーブ２内部で接続させた状態で、８５℃の熱水中に１４日間放置した。その後、形状測定器により、フェルール１の先端面１ｄの試験前後の曲率半径の変化量（増加量）を調べた。表１にそれぞれの条件における曲率半径の変化量を示した。
【００４６】
【表１】
0004535539.tif 000003
【００４７】
この結果より、従来例のサンプルでは試験後の平均値、標準偏差共に大きくなり曲率半径が平均で１０ｍｍ以上大きくなり、平坦化へ変形したことがわかる。
【００４８】
これに比較し本発明は試験前、試験後の平均値及び標準偏差共に変動が極めて小さいことがわかる。
【００４９】
即ち、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有した光コネクタ用ジルコニア焼結体において、内部には固相反応により生成した一般的な正方晶を主体にし、表面部分には無拡散的に生成した正方晶性が小さい正方晶を主体とした二層構造に形成したことにより、熱水中の試験を行ってもフェルール端面の曲率半径の変化が生じない。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＺｒＯ2を主成分とし、安定化剤としてＹ2Ｏ3を含有した光コネクタ用ジルコニア焼結体において、内部には固相反応により生成した一般的な正方晶を主体にし、表面部分には無拡散的に生成した正方晶性が小さい正方晶を主体とした二層構造に形成したことにより、高靱性、高強度でしかも水分の存在する高温中での劣化を防止できる。
【００５１】
さらに、本発明によれば、上記ジルコニア焼結体で光コネクタ用部材を形成することによって、熱水中での試験を行ってもフェルール端面の曲率半径の変化量を飛躍的に小さくすることができ、長期間良好に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明のジルコニア焼結体を用いた光コネクタ用部材を示す図である。
【図２】本発明のジルコニア焼結体からなる光コネクタ用部材を用いた光コネクタを示す断面図である。
【図３】本発明のジルコニア焼結体におけるＸ線解析チャート図であり、（ａ）は表面部の正方晶性の小さい正方晶相、（ｂ）は内部の立方晶をわずかに含む正方晶相を示す。
【符号の説明】
１：フェルール
２：スリーブ
３：支持体
４：光ファイバ
【図１】
0004535539.tif 000005
【図２】
0004535539.tif 000006
【図３】
0004535539.tif 000007